KR19990068412A - 다중레벨진폭대수코드북을이용한음성부호화방법. - Google Patents

Abstract

대수적 코드북을 이용한 음성 부호화기의 성능이 개선된 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법에 대해 개시한다. 이러한 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법은, 대수적 코드북의 부호화단에서 1번째, 2번째 트랙에서 한 펄스를 각 트랙에서 검색하고, 3번째 트랙에서 2개의 펄스가 선택 가능하도록 하며, 펄스의 진폭을 ±1/±0.5 크기의 진폭을 사용하여 2개의 펄스의 위치와 부호만을 수신단으로 전송하여 복원할 수 있다. 그리고, 부호 비트이 측면에서 2개의 펄스를 a,b라하면, 대수적 코드북의 잉여비트를 제거하기 위한 알고리즘으로, 두 펄스의 부호가 같을 경우 Sign(Pa)=Sign(Pb)에는 낮은 위치의 펄스는 Pa에, 높은 위치의 펄스는 Pb에 두어 Pa=Min(Pa,Pb), Pb=Max(Pa,Pb)의 알고리즘을 적용하고, 두 펄스의 부호가 다를 경우 Sign(Pa)≠Sign(Pb)에는 낮은 위치의 펄스는 Pb에, 높은 위치의 펄스는 Pa에 두어 Pa=Max(Pa,Pb), Pb=Min(Pa,Pb)의 알고리즘을 적용하게 된다. 따라서, 펄스진폭의 다양성을 개선하여 위치 선택에 있어서의 제한을 비트증가 없이 완화시킬 수 있으므로 코드북의 계산량의 증가없이 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법.{A Speech Coder Using a Multi-Level Amplitude Algebraic Codebook}

본 발명은 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법에 관한 것으로, 펄스진폭의 다양성을 개선하여 위치 선택에 있어서의 제한을 비트증가 없이 완화시킬 수 있으므로 코드북의 계산량의 증가없이 성능을 향상시킬 수 있는 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법에 관한 것이다.

현재까지 발표된 음성부호화기 중 가장 많은 연구가 이루어지고 있는 방식이 CELP(CodeExcitedLinearPrediction)방식이다.

이 방식은 4.8kbps내외의 전송율에서 양호한 음질을 얻을 수 있으며 ITU-T, TIA/EIA등 여러 국제표준화 기구를 통해 다양한 응용분야에서 표준화가 이루어지고 있다.

특히 국내에서는 PCS의 출현으로 CELP부호화기에 대해 많은 관심이 집중되고 있다.

현재 국내에서 디지털 셀룰라 서비스에 사용되고 있는 보코더로는 IS-96 QCELP, IS-127 EVRC가 있다.

이들 두 부호화기의 구조적인 차이로는 IS-127이 부호화단에 노이즈 억압 방식을 채용하고 있으며 Relaxation CELP의 피치 contour, 대수CELP의 동적희박 대수 코드북(dynamic sparse algebraic codebook)을 적용했다는 차이가 있다.

또한, 유선망을 통한 화상회의를 목적으로 ITU-T에서 1996년에 표준화한 G.723.1 Dual-rate speech coder 역시 대수 코드북(5.3kbps)을 사용하며 인터넷폰, 화상회의에 응용하기 위해 국내에서 많은 연구가 이루어지고 있다.

잔차 신호를 모델링하는데 기존의 통계적 방식대신 대수적 방식을 사용하는 이들 부호화기의 잔차코드북은 음성코딩알고리즘의 성능지표중의 하나인 메모리 요구량을 현저히 줄일 수 있으며 검색속도 역시 통계적 방식에 비해 향상시킬 수 있다.

그런데, 대수적 코드북의 단점으로는 동일 트랙상에서 단지 하나의 펄스만이 선택 가능하다는 점, 각 펄스위치에서 진폭 검색시에 복잡도를 줄이기 위해 ±1만의 제한된 부호비트로 코드어의 진폭 다양성을 제한한다는 점이 있다.

도1은 일반적인 완전 검색법에 관한 것으로서, 고정 코드북은 가중된 입력음성과 가중화된 합성음 사이의 MSE(Mean Squared Error)를 최소로 하는 펄스위치를 선택한다.

코드어를 결정하는 변수가 펄스의 위치와 이득이므로 이득을 일정하게한 후 각 펄스위치에서 오차를 구하여 위치를 결정한 후 이득을 구한다.

식(1)에 이에 대한 수식적인 표현을 나타내었다.

여기서 S는 가중된 입력음성, S는 가중된 합성음성, g는 이득이다.

(1)

식(1)을 다시 쓰면

(2)

이다.

여기서

(3)

이고, H는 LL 하삼각 Toeplitz행렬이고 h(n)의 임펄스 응답으로 형성된 행렬이다.

A_k는 인덱스 k의 코드벡터, X는 목적벡터이다.

식(2)의 오른쪽 두번째항이 최대가 될때 식(1)을 만족하므로

과 같이 쓸 수 있다.

여기서 D는 후필터링(backward filtering)된 목적벡터이다.

식(1)을 만족하기 위해서는 최적의 펄스위치와 최적펄스진폭이 필요한데 두 인자를 발견하기 위해서는 기본 판별식(criterion)이 필요하다.

N개의 영이 아닌 펄스를 가지는 코드벡터의 집합 중 최적의 코드벡터를 결정하는 기본적인 판별식은 다음과 같이 나타낸다.

(5)

여기서

이다.

그리고 판별식의 분모는

(6)

분자는

이며

여기서Φ(·)는 식(7)로 표현되는 h(n)의 자기상관식이다.

(7)

S_piS_pj는 미리 설정된 펄스의 부호이다.

한편, 종래의 Fast Search Nested-Loop 검색법은, 도2를 참조하면, 다음과 같다.

먼저, 최적의 펄스위치를 검색하기 전에 먼저 코드북을 구성하는 테이블을 결정해야 한다.

특히, 대수코드북은 트랙내의 구성샘플위치에 따라 음질차이가 발생하므로 일반적으로 각 트랙마다 이전 트랙과의 한 샘플위치씩 차이를 주는 구조를 가지고 있다.

그러나 부 프레임길이가 길거나 트랙 당 전송할 펄스의 갯수가 많을 경우 G.723과 같이 짝수위치/홀수위치 테이블를 따로 만들어 선택된 비트와Grid 한 비트를 함께 전송하는 경우도 있다.

멀티펄스방식에서 펄스를 선택할 위치와 진폭을 제한한 형식의 대수코드북은 ISPP(Interleaved Single Pulse Permutation)를 이용하여 구성되며 ISPP(Γ,Ξ)으로 표현한다.

여기서 Γ는 부프레임의 길이, Ξ는 트랙의 수이다.

Salami는 선택 확률이 적은 펄스 트리를 제거하는 방식을 사용하여 계산량을 감소시키는 방법을 제안하였다.

일명 Focused 검색이라고 하는 이 검색법은 마지막 펄스 검색 전 N-1번째까지 펄스 검색을 행한 후 미리 결정된 문턱값을 넘는 경우에만 마지막 N번째 펄스를 검색하는 검색법이다.

상술된 Fast Search Nested-Loop 검색법은 두개의 문턱값을 설정하여 불필요한 하부트리를 검색하는 단점을 개선하였다.

종래의 Depth First 검색법은, 도3을 참조하면, Adoul에 의해 제안되었고, Fast Search Nested-Loop법에 비해 약간의 음질을 희생하며 계산량을 감소시킨 방식이다.

검색방법에 대해 간단히 상술하면 Np개의 여기펄스는 Nm개의 펄스로 구성된 M부분집합으로 나누어진다.

검색은 부분집합 #1에서부터 시작되며 트리구조로 검색을 실시하므로 다음 부분 집합이 검색되며 검색은 위치트랙안에 할당된 펄스순서를 변경하면서 반복적으로 검색된다.

먼저 펄스는 두 펄스쌍의 부분집합안에서 검색된다.

트랙Tk0와 T(k0+1)_{modulo 트랙의 개수}로 구성된 쌍(i0,i1)에 대해 최적의 펄스위치를 검색한다.

그 다음에 T(k0+2)_{modulo 트랙의 개수}와 T(k0+3)_{modulo 트랙의 개수}안의 펄스들의 가능한 위치결합 (i2,i3)에 대해 검색한다.

같은 과정을 (i4.i5), (i6,i7)...등에 대해 수행한다.

각 레벨에서 검색 판별식은 그 레벨에서 이용 가능한 펄스에 대해서만 수행한다.

트랙에 할당된 펄스의 수를 변경하여 N_k번의 반복을 수행한다.

도3은 검색에 대한 구조를 나타내고 있다.

그런데, 이러한 Depth First 검색법은 상술된 Focused 검색법과는 다르게 처음 부분집합부터 후보펄스를 선택하기 때문에 잘못된 패스선택은 음질의 저하를 가져올 수 있게 되는 문제점이 있다.

따라서, 종래의 대수 코드북의 구조를 보면 다음과 같은 문제점을 발견할 수 있다.

첫째, 멀티펄스에 대해 가능성이 있는 일부 펄스위치만을 검색하는 부분적인 하이퍼큐브 방식을 사용한다.

둘째, 각 트랙에서 단지 하나의 펄스만을 검색하므로 동일 트랙상에 다른 위치에 있는 두 펄스가 최적의 값을 갖더라도 준 최적을 이루는 펄스를 검색한다.

셋째, 발견된 모든 펄스가 일정한 진폭을 가지고 있다고 가정하고 ±1이라는 규준화된 진폭만을 검색한다.

본 발명의 목적은 펄스진폭의 다양성을 개선하여 위치 선택에 있어서의 제한을 비트증가 없이 완화시킬 수 있으므로 코드북의 계산량의 증가없이 성능을 향상시킬 수 있는 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법을 제공하는데 있다.

따라서, 상술된 첫 번째와 두 번째 문제점를 해결하기 위한 트랙 1,2에서는 한 펄스를 각 트랙에서 검색하여 발견하며 트랙3에서는 두개의 펄스를 검색한다.

그리고, 세 번째 문제점을 해결하기 위한 먼저 부프레임 내에서의 펄스진폭을 미리 설정하여 검색법을 단순화 시킨다.

도1은 일반적인 완전 검색법을 설명하기 위한 도면,

도2는 종래의 First search Nested-loop 검색법을 설명하기 위한 도면,

도3은 종래의 Depth First search 검색법을 설명하기 위한 도면,

도4는 본 발명에 따른 대수적 코드북 구조에 관한 표,

도5는 본 발명에 따른 목적벡터 파형에 관한 그래프,

도6은 종래의 목적벡터 진폭추출그래프,

도7은 본 발명에 따른 목적벡터 진폭추출 그래프,

도8은 본 발명에 따른 음질평가결과표이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법은, 대수적 코드북의 부호화단에서 1번째, 2번째 트랙에서 한 펄스를 각 트랙에서 검색하고, 3번째 트랙에서 2개의 펄스가 선택 가능하도록 하며, 펄스의 진폭을 ±1/±0.5 크기의 진폭을 사용하여 2개의 펄스의 위치와 부호만을 수신단으로 전송하여 복원할 수 있는 것을 특징으로 한다.

부호 비트의 측면에서 2개의 펄스를 a,b라하면, 대수적 코드북의 잉여비트를 제거하기 위한 알고리즘으로, 두 펄스의 부호가 같을 경우 Sign(Pa)=Sign(Pb)에는 낮은 위치의 펄스는 Pa에, 높은 위치의 펄스는 Pb에 두어 Pa=Min(Pa,Pb), Pb=Max(Pa,Pb)의 알고리즘을 적용하고, 두 펄스의 부호가 다를 경우 Sign(Pa)≠ Sign(Pb)에는 낮은 위치의 펄스는 Pb에, 높은 위치의 펄스는 Pa에 두어 Pa=Max(Pa,Pb), Pb=Min(Pa,Pb)의 알고리즘을 적용하게 된다.

그리고, 트랙의 동일 위치에서 두 펄스가 최적일 경우 진폭부호는 두 펄스의 합인 진폭 ±2를 전송한다.

또한, 트랙의 부프레임 내에서의 펄스진폭을 미리 설정하기 위한 목적진폭신호를 만든다.

상술된 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명에 따른 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법은, 펄스진폭의 다양성을 개선하여 위치 선택에 있어서의 제한을 비트증가 없이 완화시킬 수 있으므로 코드북의 계산량의 증가없이 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법을 상세히 설명하고자 한다.

먼저, 본 발명에서는 상술된 문제점을 개선하기 위하여 도4와 같은 코드북을 구성하였다.

상술된 첫 번째와 두 번째 문제를 해결하기 위하여 트랙 1,2에서는 한 펄스를 각 트랙에서 검색하여 발견하며 트랙3에서는 두개의 펄스를 검색한다.

상기에서 설명한 바와 같이 트랙3에서 다른 위치에 있는 펄스가 최적으로 판단되었을 경우 검색 불가능한 것을 방지하기 위함이다.

또한, 동일 위치에 두 펄스가 최적이라 판단되었을 경우 진폭부호는 두 펄스의 합인 진폭 ±2를 전송한다.

부호비트의 측면에서 한 트랙에서 두개의 펄스를 발견할 경우 부호 1비트는 잉여성분으로 볼 수 있다.

상술된 잉여비트 제거 알고리즘을 참조하면, 펄스 a, b가 서로 다른 부호를 가지고 있다 할지라도 절대적 값으로 보아 두 펄스의 위치는 교환이 가능하다.

만약 두 펄스의 부호가 같다면(S1=S2) 낮은 위치의 펄스는 Pa에, 높은 위치의 펄스는Pb에 둔다.

그리고, 두 부호가 같지 않다면 낮은 위치의 펄스는 Pb에, 높은 위치의 펄스는 Pa에 둔다.

따라서 두 펄스의 위치와 S1의 부호만 전송하면 수신단에서 두펄스의 위치및 부호를 복원할 수 있다.

세 번째 문제를 해결하기 위하여 다음과 같은 방식을 사용한다.

기존대수적 코드북의 단점은 펄스진폭비트를 ±1의 부호성분만 나타내어 다양한 펄스 진폭 변화를 나타낼 수 없었다.

또한, 각 펄스마다 N의 진폭변화를 설정할때 트랙이 L개인경우 ∑펄스위치+(N×L)만큼의 비트가 필요하다.

즉, 코드북 크기의 급격한 증가로 검색시 많은 계산량이 필요로 되는데, 이를 개선하기 위해서 먼저 부프레임 내에서의 펄스진폭을 미리 설정한다.

식(8)로 진폭을 결정하기 위한 목적진폭신호를 만든다.

식(8)은 펄스설정을 위해 목적벡터와 피치성분을 제거한 원음성 그리고 LPC성분을 제거한 원음성과의 적절한 혼합비율로 구성되어있다.

여기서 υ₁,υ₂,υ₃는 0과 1사이의 값이어야 하며 본 발명에서는υ₁=υ₂=0.5, υ₃=0.1을 사용하였다.

그 결과 추출된 펄스 진폭은 부프레임 구간내에서 식(9)를 이용하여 정규화한다.

(8)

(9)

여기서 max│Vn│는 영이 아닌 진폭펄스의 최대치를 나타내는 정규화 인자이고 Q(·)는 양자화 함수이다.

본 발명에서 사용하는 진폭의 경우 ±1/±0.5 크기의 진폭을 사용하므로 트랙2의 경우 선택된 진폭에서 부호비트만을 사용하고, 트랙 1,2에서는 Δ함수가 미리 설정된 문턱값에 따라 ±1/±0.5의 진폭을 결정한다.

행렬 Φ(i,j)를 계산하는데 제안된 알고리즘으로 미리 계산되어진 진폭을 식(10)과 같이 결합시킨다.

이렇게 함으로써 진폭이 q개의 경우의 수를 가지더라도 진폭을 검색하기 위한 계산량의 증가는 발생하지 않는다.

(10)

도5는 목적벡터 파형에 관한 그래프이고, 도6은 기존 방식의 목적벡터 진폭추출에 관한 그래프이고, 도7은 본 발명에 의해 추출한 진폭파형에 관한 것으로 개선된 펄스진폭의 다양성에 대해 도시하고 있다.

도8은 상술된 알고리즘에 의해 음질검사를 실시한 결과의 비교표로서, 주관적 음질에서 비교 대상인 기존의 방법에 대해 우수한 음질을 얻을 수 있게 됨을 보여준다.

본 발명은 대수적 코드북을 이용한 음성부호화기의 성능을 개선시킴으로써 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 제안된 대수 코드북을 이용하여 펄스진폭의 다양성을 개선하였으며 위치 선택에 있어서의 제한을 비트증가없이 완화시켰다.

둘째, 대수 코드북에서는 코드북의 구조를 개선하여 2개의 펄스를 한 트랙에서 검출하여 대수코드북이 가지는 단점을 보완하였다.

셋째, 진폭면에서는 펄스진폭의 다양성을 주기위해 네가지 경우에 대한 부호비트를 설정하였다.

따라서, 결과적으로 코드북의 크기가 증가되었으나 진폭의 사전 설정에 의한 검색법의 단순화로 계산량의 증가없이 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 대수적 코드북의 부호화단에서 1번째, 2번째 트랙에서 한 펄스를 각 트랙에서 검색하고, 3번째 트랙에서 2개의 펄스가 선택 가능하도록 하며, 펄스의 진폭을 ±1/±0.5 크기의 진폭을 사용하여 상기 2개의 펄스의 위치와 부호만을 수신단으로 전송하여 복원할 수 있는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법.
2. 제1항에 있어서, 부호 비트의 측면에서 상기 2개의 펄스를 a,b라하면, 상기 대수적 코드북의 잉여비트를 제거하기 위한 알고리즘으로,

   상기 두 펄스의 부호가 같을 경우 Sign(Pa)=Sign(Pb)에는 낮은 위치의 펄스는 Pa에, 높은 위치의 펄스는 Pb에 두어 Pa=Min(Pa,Pb), Pb=Max(Pa,Pb)의 알고리즘을 적용하고,

   상기 두 펄스의 부호가 다를 경우 Sign(Pa)≠Sign(Pb)에는 낮은 위치의 펄스는 Pb에, 높은 위치의 펄스는 Pa에 두어 Pa=Max(Pa,Pb), Pb=Min(Pa,Pb)의 알고리즘을 적용하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 트랙의 동일 위치에서 상기 두 펄스가 최적일 경우 진폭부호는 두 펄스의 합인 진폭 ±2를 전송하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 진폭 대수 코드북을 이용한 음성 부호화 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 트랙의 부프레임 내에서의 펄스진폭을 미리 설정하기 위한 목적진폭신호를 만드는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 진폭 대수코드북을 이용한 음성 부호화 방법.